JP6917551B2 - ロボット制御方法およびロボット - Google Patents

Description

本発明はロボットの動作を監視するための領域の設定方法およびその方法を利用するロボットに関する。

ロボットを使用した生産システムでは、ロボットと人とが共同で作業することがよく行われる。例えば、１台の溶接ロボットが２つの溶接対象物を交互に溶接しており、溶接ロボットが一方の溶接対象物を溶接している間に人が他方の溶接対象物を入れ替える作業がそれにあたる。

このような作業では、ロボットが誤って人が動作している領域に入り込まないような安全対策が行われる。その安全対策では、図１１のように、ロボット１００および付帯機器を覆う球状またはカプセル状の３次元モデル２００（以降、「ロボット監視モデル２００」という）を設定し、さらに、ロボットが動作できる安全領域３００と、ロボットが動作できない非安全領域４００とを設定する。そして、ロボット監視モデル２００の空間上の位置を監視して、非安全領域にロボット監視モデル２００が入り込もうとした場合にはロボットの動作を停止させる。

これらの領域はロボットを操作するためのコントローラで設定される。例えば特許文献１には、安全領域の設定を容易に行える技術が開示されている。この技術では、安全領域の設定を直接的な数値入力ではなくドラッグ操作により行い、さらにはドラッグ操作で安全領域の移動、拡大、縮小も行う。

特開２０１６−５９９８０号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、ロボットの座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がユーザー設備のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対してそれぞれ平行であることを前提として、ロボットの可動範囲全体を含むように安全領域が設定される。そのため、ロボットの座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がユーザー設備のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対して平行でない場合も、ロボットの可動範囲全体が含まれるように安全領域が設定されてしまう。そうすると、安全領域が大きくならざるを得ず、その安全領域内には本来は必要でない余計な非安全領域ができてしまい、ロボットの動作可能な領域の比率が低下する。

そこで、本発明は、ユーザー設備に応じた好適な監視領域を設定することができるロボット制御方法を提供する。

上記課題を解決するため、本発明のロボット制御方法は、ロボットの少なくとも一部を覆うロボット監視モデルを設定し、ロボットの動作可能範囲を監視するための監視領域を、ロボットの座標系に平行に設定し、ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し、変換後の構成点の位置を用いて、ロボット監視モデルが監視領域の境界面に接触するか否かを判定し、接触する場合はロボットの動作を停止させることを特徴とする。

上記構成により、本発明のロボット制御方法は、ユーザー設備に応じた好適な監視領域を設定することができる。

図１は、本発明の実施の形態におけるロボットの概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態におけるロボット制御方法のフローチャートである。 図３Ａは、本発明の実施の形態における球モデルを説明するための図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態におけるカプセルモデルを説明するための図である。 図４は、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルについて説明するための図である。 図５は、本発明の実施の形態における監視領域を説明するための図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルと監視領域との接触について説明するための図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルと監視領域との接触について説明するための図である。 図６Ｃは、本発明の実施の形態におけるロボット監視モデルと監視領域との接触について説明するための図である。 図７は、本発明の実施の形態におけるロボット座標系とユーザー座標系とを説明するための図である。 図８Ａは、ロボット監視モデルと監視領域との関係を説明するための図である。 図８Ｂは、ロボット監視モデルと監視領域との関係を説明するための図である。 図９は、ロボット座標系とユーザー座標系との設定について説明するための図である。 図１０は、監視領域をユーザー座標系をベースに回転変換した場合を説明するための図である。 図１１は、ロボット監視モデルと監視領域との関係を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態におけるロボットの概略構成を示す図である。ロボットは、６軸の関節を有するロボットアーム６を備えたロボット本体１と、ロボットアーム６の動作を制御する制御装置２と、ロボット本体１および制御装置２をつなぐ接続ケーブル９とを有する。また、ディスプレイ付きの操作装置３は、制御装置２との間で通信を行い、ロボットアーム６の動作設定や動作制御等を行う。

ロボット本体１は、ロボットアーム６を動作させるための複数のモータ４と、各モータ４の回転量を検出するための複数のエンコーダ５とを備える。ロボット本体１は、制御装置２に各モータ４の位置情報をフィードバックしている。

制御装置２は、制御装置２を制御するためのＣＰＵ７と、読み取りおよび書き込みが可能なＲＡＭ８とを有している。ＲＡＭ８は、ロボットの操作者が操作装置３によって作成したロボットの教示プログラムやロボットの機能設定等を格納している。また、ＲＡＭ８には、ロボット本体１への位置指令などを保存することもできる。また、制御装置２は、サーボドライバ１０とセーフティユニット１１とを備える。ＣＰＵ７はサーボドライバ１０に動作指令を行うことで、サーボドライバ１０がモータ４を制御する。また、セーフティユニット１１はエンコーダ５の情報とＣＰＵ７からの動作指令とを受けてエンコーダ５が故障していないかを判断している。

次に、制御装置２によるロボット制御方法について説明する。本実施形態におけるロボット制御方法は、ロボット監視モデルと監視領域とを用いて行う、ロボットの安全を確保するための方法である。具体的に、本実施の形態では、ロボット本体１は監視領域の内部で動作するように制御される。すなわち、ロボット本体１が監視領域の外部に出た場合には、ロボット本体１の動作が停止される。

図２は、ロボット制御方法のフローチャートである。本実施形態では制御装置２がロボット本体１を起動する。その後、セーフティユニット１１がロボット監視モデルと監視領域との接触を判定して、ロボット本体１を停止させる。

まず、ステップＳＴ１で制御装置２がロボット本体１を起動し、ついでステップＳＴ２で制御装置２はロボット本体１を動作（移動や停止など）させ、ステップＳＴ３に進む。

以降のステップＳＴ３〜ＳＴ９はセーフティユニット１１が周期的に実施する処理である。

ステップＳＴ３において、セーフティユニット１１はエンコーダ５からエンコーダデータを取得する。ステップＳＴ４で、セーフティユニット１１は取得したエンコーダデータとモータ４の各軸の減速比とモータ原点情報とからモータ４の角度を計算し、モータ４の角度から更にモータ４の位置を計算する。

ステップＳＴ５において、セーフティユニット１１はステップＳＴ４で計算したモータ位置に基づいてロボットの座標系（以下、「ロボット座標系」という）におけるロボット監視モデルおよび監視領域の位置を計算する。

ここで、そのロボット監視モデルおよび監視領域の位置の計算について具体的に説明する。

ロボット監視モデルは、ロボット本体１を覆うように、球状の３次元モデル（以下、「球モデル」という）とカプセル状の３次元モデル（以下、「カプセルモデル」という）とを複数組み合わせて構成されている。ここで、ロボット監視モデルは、球モデルおよびカプセルモデルが複数組み合わされて構成された立体形状の外殻である。図３Ａに示すように、球モデル３５は中心位置Ｐ０と球の半径Ｒとで構成される。図３Ｂに示すように、カプセルモデル３６は２つの構成点Ｐ１およびＰ２とカプセルの半径Ｒ１とで構成される。

図４は複数の３次元モデルから構成したロボット監視モデルを示している。ロボット本体１は６軸の関節を有し、各モータ４は第１軸位置３７、第２軸位置３８、第３軸位置３９、第４軸位置４０、第５軸位置４１、第６軸位置４２に配置されている。そして、ロボット監視モデルは、ロボット本体１を覆うように、カプセルモデル４３、カプセルモデル４４、カプセルモデル４５、付帯機器モデル４６およびツールモデル４７から構成される。

カプセルモデル４３は、第１軸位置３７と第２軸位置３８とを覆い、半径はｒ１である。カプセルモデル４４は、第４軸位置４０と第５軸位置４１とを覆い、半径はｒ２である。カプセルモデル４５は、第５軸位置４１と第６軸位置４２とを覆い、半径はｒ３である。付帯機器モデル４６は、付帯機器を覆う球モデルであって、その中心位置は第３軸位置からのシフト量がｓ１であり、その半径はｒ４である。ツールモデル４７は、複数のカプセルモデルと球モデルとを組み合わせて構成されている。

図２のステップＳＴ５のロボット監視モデル計算では、まずロボットアーム６の長さと、ステップＳＴ４において算出した各軸の角度とから、各モータのロボット座標系における３次元上の位置を計算する。

次に、カプセルモデル４３の構成点として第２軸位置３８と第３軸位置３９とを設定し、半径ｒ１を設定する。同様に、カプセルモデル４４の構成点として第４軸位置４０と第５軸位置４１とを設定し、半径ｒ２を設定する。同様に、カプセルモデル４５の構成点として第５軸位置４１と第６軸位置４２とを設定し、半径ｒ３を設定する。付帯機器モデル４６は、中心位置を第３軸位置３９からのシフト量ｓ１に設定し、半径ｒ４に設定する。ツールモデル４７は第６軸位置４２を基準として、球モデルおよびカプセルモデルの構成点と半径とを設定する。

各モデル４３〜４７の値ｒ１〜ｒ４、ｓ１等については、本制御フローの開始前に予め標準値が設定されているが、ユーザーが操作装置３を用いて値を変更することも可能となっている。

図５は、監視領域を説明するための図である。監視領域は構成点Ｑ１、Ｑ２を対角とする直方体として構成される。この２点は本制御フローの開始前にユーザーが操作装置３を使用してロボット座標系上の２点Ｑ１、Ｑ２のＸＹＺ座標を入力して設定している。ここでは、（Ｑ２のＺ軸の座標値）＞（Ｑ１のＺ軸の座標値）としている。ステップＳＴ５ではその設定値を用いて監視領域の位置を計算している。

図２のフローチャートでは、ステップＳＴ５後、ステップＳＴ９に進み、ロボット監視モデルをユーザー座標系に変換した後、ステップＳＴ６に進む。しかし、ここでは便宜上、ステップＳＴ９の説明よりも先にステップＳＴ６以降の説明を行う。

ステップＳＴ６において、ロボット監視モデルと、ロボット座標系に平行に設定した監視領域との接触を判定する。ここで、ロボット座標系と監視領域とが平行であるとは、ロボット座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸がユーザー設備のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対してそれぞれ平行であることである。したがって、「ロボット座標系に平行に設定した監視領域」とは、監視領域のＸ軸がロボット座標系のＸ軸に平行であり、且つ、監視領域のＹ軸がロボット座標系のＹ軸と平行であり、且つ、監視領域のＺ軸がロボット座標系のＺ軸と平行である状態の監視領域のことである。

ここで、球モデルを例に接触判定について説明する。図６Ａは、ロボット座標系５０のＺ軸＋側から見た図である。この例では、ロボット監視モデルである球モデル４９が監視領域４８の内部に存在するパターンを示している。球モデル４９の半径はＲであり、中心座標はＰ０（ｘ，ｙ，ｚ）である。

なお、この監視領域４８は図５と同様に構成点Ｑ１（ｘ１，ｙ１，ｚ１）とＱ２（ｘ２，ｙ２，ｚ２）とによって構成されており、監視領域４８の内部を安全領域として設定している。すなわち、監視領域４８の内部では、ロボット本体１は自由に動作することが可能である。

球モデル４９が監視領域４８内にある場合、図６Ａから分かるように、球モデル４９の中心座標Ｐ０に関して下記の式が成り立つ。

ｘ１＋Ｒ＜ｘ＜ｘ２−Ｒ （式１）
ｙ１＋Ｒ＜ｙ＜ｙ２−Ｒ （式２）
ｚ１＋Ｒ＜ｚ＜ｚ２−Ｒ （式３）
これらの３条件が成立する場合に球モデル４９は監視領域４８の内部に存在する。なお、球モデル４９が監視領域４８の外に出ているパターンを図６Ｂに示しているが、この場合は（式１）の右辺ｘ＜ｘ２−Ｒが成立していないことが分かる。

このように、ステップＳＴ６の接触判定では、ステップＳＴ５で設定した各ロボット監視モデルの構成点および半径と監視領域の構成点とに基づいて判定を行う。そして、上記の３条件が成立しない場合、すなわち、球モデル４９が監視領域４８の境界面に接触している場合、および、球モデル４９の少なくとも一部が監視領域４８の外部に出ている場合に、非安全と判定している。

なお、カプセルモデルについても基本的な考えは球モデルと同様であり、セーフティユニット１１は、カプセルモデルと監視領域との距離に基づき安全または非安全を判定している。

次に、ステップＳＴ７において、ロボット監視モデルと監視領域との接触の判定の結果、ロボット監視モデルと監視領域の関係が安全と判定すれば、ステップＳＴ３に戻る。ロボット監視モデルと監視領域との関係が非安全と判定すれば、ステップＳＴ８に進み、ロボット本体１に非常停止をかけて、ロボット本体１の動作を停止させる。

以上の制御フローは、ロボット座標系のみを用いて安全または非安全を判定し、その結果に基づいてロボットを制御している。これは、一般的に行われている制御方法である。本実施形態では、ステップＳＴ５とステップＳＴ６の間にさらにステップＳＴ９を追加している。

このステップＳＴ９ではロボット監視モデルをユーザーが指定した座標系に基づいて変換する計算をおこなっている。このステップＳＴ９での変換について詳細に説明する。

図７ではロボット座標系２４とユーザーが自由に指定するユーザー座標系２３とを示している。ロボット監視モデルの構成点Ｐは、ユーザー座標系２３から見た場合とロボット座標系２４から見た場合とで同じ位置を示すことから、（式４）の関係性がなりたつ。

この式を変形することで（式５）が導出される。ユーザー座標系２３でのロボット監視モデルの位置関係は（式５）で表現できる。

ステップＳＴ９においてはステップＳＴ５で計算したロボット監視モデルの位置に対して、（式５）の変換計算を行うことで、ユーザー座標系上からみたロボット監視モデルの位置へと変換している。そして変換したロボット監視モデルと監視領域との接触判定をステップＳＴ６でおこなうことになる。

このように、ロボット座標系２４とは関係ないユーザー座標系２３を設定し、そのユーザー座標系２３に応じて監視領域が平行あるいは回転移動できるようにすることで、最適な監視領域を設定できるようにし、ロボットの動作範囲を無駄に制限せずに最適な設定とすることができる。

なお、上記ではロボット監視モデルをユーザー座標系に変換する例を説明したが、例えば監視領域をユーザー座標系に変換することも考えられる。しかし、この場合は従来からおこなっていたステップＳＴ６での計算処理を変更する必要があるため、既存処理への影響が大きくなってしまう。

この監視領域をユーザー座標系に変換する場合について説明する。図８Ａは、監視領域２６とロボット監視モデル２７とをロボット座標系２５のＺ軸＋側から見た図を示している。説明を簡単にするために、監視領域２６をロボット座標系２５のＺ軸まわりにθだけ回転させる場合を考える。

監視領域２６を回転させるためのユーザー座標系２８（Ｘｕ，Ｙｕ，Ｚｕ）を図９に示す。ユーザー座標系２８では、Ｚｕをロボット座標系２５のＺ方向と同じ向きに設定する。Ｘｕ，Ｙｕは、ロボット座標系２５のＸ軸，Ｙ軸から＋θ回転するように設定する。また、図９に記載のＵ０、Ｕ１およびＵ２は、それぞれユーザー座標系２８の構成点である。

このユーザー座標系２８はユーザーが操作装置３を使用し、ロボット座標系の３点のＸＹＺ位置を入力する、または制御装置２で登録している３点を指定することにより作成される。

図１０は破線で表示した監視領域２６をユーザー座標系２８を基準に回転させた場合の変換後の監視領域３３を示している。しかしながら前述したように、図１０のように監視領域２６を監視領域３３に変換する操作を行う場合、図２のフローチャートにおけるステップＳＴ６の処理が使えなくなる。なぜなら、ステップＳＴ６の計算は、監視領域がロボット座標系と平行に配置された場合を前提にしているからである。

具体例として、図６Ａの監視領域４８をＺ軸まわりにθ回転した場合の変換後の監視領域５２と球モデル４９との関係を図６Ｃに示している。この図から分かるように、Ｘ方向またはＹ方向において、球モデル４９の中心から安全と非安全とを分ける監視領域４８の境界面までの距離は、球の半径Ｒよりも大きい。そのため、球モデル４９が監視領域４８内に存在する場合の判定式である（式１）および（式２）を満たしている。それにも関わらず、球モデル４９の一部は監視領域４８外に出ている。球モデル４９の一部が監視領域４８の外部に出ていれば、それは非安全と判定されるべきである。

そこで、本実施形態では、（式５）の変換計算をロボット監視モデルに対してのみ行い、監視領域は変更しない。そのため、ロボット監視モデルの位置のみが変わるので、ステップＳＴ６の判定処理は変更しないで済むようになる。

この時のロボット監視モデルと監視領域との位置関係を示したものが図８Ｂである。図８Ｂは、監視領域２６は変更せず、変換処理をロボット監視モデルに対してのみ行った場合の変換後のロボット監視モデル３４を示している。

図８Ｂのロボット監視モデル２７と監視領域２６との位置関係は図１０で監視領域を変換した場合の位置関係と一致している。しかし、監視領域２６はロボット座標系２５と平行に配置されているため、従来の計算処理をそのまま使用しながら、変換したロボット監視モデルで接触判定をすることができることが分かる。

さらにロボット監視モデルの座標を変換したくない場合は（式５）の同次変換行列を単位行列とすることによって、ロボット監視モデルの座標を変換しないことができる。そのため、ステップＳＴ９の変換計算は常時行うことが可能である。

以上のように、本実施形態では、監視領域の座標変換を実現するため従来の判定処理を使用することができることにより、製品としての品質を維持することができ、動作確認にかかる評価工数を削減できるといったメリットがある。

仮に判定処理（ステップＳＴ６）を変更した場合は変更後も判定処理が従来と同様に正しく動作することを確認する必要がある。また、新たに追加した変換計算が正しく行えることも確認する必要がある。しかし、本実施形態のロボット制御方法は、従来の判定処理を流用できるので、判定処理については確認が不要であり、従来と同じ品質を維持できる。本実施形態のロボット制御方法は、新たに追加した変換計算の確認のみ行えばよいので、確認工数を削減しつつ、製品品質の維持が可能となる。

さらに変換計算をする、しないといった処理上の分岐もしなくてよくなるため、さらに確認工数が少なくてすむ。

以上説明したように、本実施形態のロボット制御方法は、制御装置２がロボット本体１を起動させ、動作させたあとに、制御装置２内のセーフティユニット１１がＳＴ３〜ＳＴ９までの処理を繰り返し実行する。セーフティユニット１１は、ロボット監視モデルと監視領域との接触判定を行い、ロボット本体１を停止させる処理を行うことでロボットシステムの安全を確保している。

このようにして、本発明の実施の形態のロボット制御方法は、ロボット座標系とは関係なく基準座標系を設定し、その基準座標系に応じて監視領域が平行あるいは回転移動できる。したがって、製品としての品質を維持しながら、監視領域を自由に配置（回転や併進移動）させることができる。そのため、ユーザー設備に応じた最適な監視領域を設定することができ、その結果、ロボットの動作自由度や動作範囲を無駄に制限することなく、安全を確保することができる。

また、本発明の実施の形態のロボット制御方法は、監視領域を設定したい座標系を設定し、その座標系上から見たロボット監視モデルの位置をロボット座標系へと変換する。これにより、既存のロボット座標系上でのロボット監視モデルと監視領域との判定処理を変更することなく、監視領域を自由に設置できる。

例えば、監視領域の外部にはユーザーが作業を行うためのユーザー設備が設置されている。ユーザーは、ユーザー設備の安全を確保できれば、ロボット監視モデルを任意の座標系に変換することができる。そのため、本来であればロボットが停止していた位置でもロボットを動作させることが可能となる。

すなわち、本発明の実施の形態によると、ユーザー設備に応じた最適な監視領域が設定できることになり、ロボットは必要最低限の制限で動作が可能となり、安全を確保しながら、設備の使用効率を上げることができる。

なお、上記説明においてセーフティユニット１１がステップＳＴ３〜ＳＴ９の処理を実施したが、制御装置２のＣＰＵ７が実施してもよい。

また、上記説明において、ロボット監視モデルは、ロボットの周囲に対する安全対策として必要な範囲を覆うことができれば、ロボット本体1の少なくとも一部を覆うように設定されてもよい。

本発明のロボット制御方法を用いることで、ロボットの監視領域を自由に設定できることにより、設備に応じた最適な領域が設定できることになり、溶接ロボットや切断ロボットなどに適用可能である。

１ ロボット本体
２ 制御装置
３ 操作装置
４ モータ
５ エンコーダ
６ ロボットアーム
７ ＣＰＵ
８ ＲＡＭ
９ 接続ケーブル
１０ サーボドライバ
１１ セーフティユニット
２３ ユーザー座標系
２４，２５ ロボット座標系
２６ 監視領域
２７ ロボット監視モデル
２８ ユーザー座標系
３３ 変換後の監視領域
３４ 変換後のロボット監視モデル
３５ 球モデル
３６ カプセルモデル
３７ 第１軸位置
３８ 第２軸位置
３９ 第３軸位置
４０ 第４軸位置
４１ 第５軸位置
４２ 第６軸位置
４３，４４，４５ カプセルモデル
４６ 付帯機器モデル
４７ ツールモデル
４８ 監視領域
４９ 球モデル
５０ ロボット座標系
５２ 変換後の監視領域
１００ ロボット
２００ ３次元モデル
３００ 安全領域
４００ 非安全領域

Claims (2)

1. ロボットの少なくとも一部を覆う領域であるロボット監視モデルを設定し、
   前記ロボットの動作可能範囲を監視するための監視領域を、前記ロボットの座標系に平行に設定し、
   前記ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、前記ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し、
   変換後の前記構成点の位置を用いて、前記ロボット監視モデルが前記監視領域の境界面に接触するか否かを判定し、
   接触する場合は前記ロボットの動作を停止させる
   ロボット制御方法。
2. ロボット本体と、
   前記ロボット本体を制御する制御装置とを備えるロボットであって、
   前記制御装置は、
   前記ロボット本体の少なくとも一部を覆う領域であるロボット監視モデルを設定し、
   前記ロボット本体の動作可能範囲を監視するための監視領域を、前記ロボット本体の座標系に平行に設定し、
   前記ロボット監視モデルに含まれる任意の点である構成点の位置を、前記ロボットの座標系とは異なる座標系における位置に変換し、
   変換後の前記構成点の位置を用いて、前記ロボット監視モデルが前記監視領域の境界面に接触するか否かを判定し、
   接触する場合は前記ロボット本体の動作を停止させる
   ロボット。

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